Schaltbarer Wärmeübertrager auf Metallhydridbasis zur Wärmerückgewinnung eines Verbrennungsmotores

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde auf der Grundlage einer Literaturrecherche zu möglichen Einsatzgebieten von Metallhydriden eine vielversprechende Anwendung, die Realisierung eines schaltbaren Wärmeübertragers (SWÜ) auf Metallhydridbasis, untersucht. Das Prinzip des SWÜs beruht auf zwei Annahmen, die im Rahmen dieser Arbeit experimentell validiert wurden. Zum einen gibt es eine starke Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit poröser Materialien vom Gasdruck, die durch den Knudsen-Effekt beschrieben werden kann. Zum anderen ist es mit Metallhydriden möglich, die nötige Variation im Gasdruck über eine Temperaturvariation zu erreichen. Es kann somit ein Leit- und Dämmbetrieb herbeigeführt werden. Der untersuchte SWÜ zielt auf die Wärmerückgewinnung eines Verbrennungsmotores, vor allem in der Kaltstartphase, ab. Zunächst wurde eine theoretische Auslegung des SWÜ als Doppelrohrwärmeübertrager an Hand von Literaturdaten für den leitenden und dämmenden Zustand durchgeführt. Diese zeigte, dass unter automobilen Randbedingungen in einem Rohr mit Durchmesser 7 cm und einer Wandstärke von 5 mm ein mittlerer Wärmestrom von 740 W im leitenden Zustand und 40 W im Dämmbetrieb übertragen werden kann. Bei der experimentellen Validierung stellte sich LaNi4.0 als geeignetes Metallhydrid heraus, da die erforderlichen Betriebsdrücke für die praktische Anwendung zyklisch stabil erzeugt werden konnten: Bei Raumtemperatur wurden Drücke von 3 mbar erzeugt, während bei 160 °C bis zu 450 mbar nachgewiesen wurden. Zusätzlich wurde an Hand von Aufheizkurven im Laborversuch die Druckabhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit einer Perlit-Schüttung untersucht. Es konnte eine Veränderung der Wärmeleitfähigkeit von 0,02 W/mK bei 1,9 mbar auf 0,14 W/mK bei 1120 mbar erzielt werden. Hierbei wurde die Wärmeleitfähigkeit mit Hilfe numerischer Berechnungen aus Aufheizkurven bestimmt Die Ergebnisse der Arbeit zeigen somit, dass ein SWÜ für die Wärmerückgewinnung eines Verbrennungsmotors in der Kaltstartphase realisierbar ist.